Demonstração de dragagem da bomba EDDY no Reservatório Cresta

por LARRY L. HARRISON 1, Membro ASCE e HARRY P. WEINRIB

Um teste de demonstração de uma nova tecnologia de dragagem de polpa ecológica usando a “Bomba EDDY”, uma bomba de polpa de vórtice patenteada, foi realizada em 1994 no Reservatório de Cresta, no norte da Califórnia, para verificar suas capacidades de desempenho e determinar os possíveis impactos ambientais da dragagem proposta. O reservatório, localizado no rio North Fork Feather no condado de Plumas, acumulou aproximadamente 2,3 milhões de metros cúbicos de sedimentos, enchendo quase metade da sua capacidade total desde que foi colocado em serviço em 1949. Os sedimentos põem em risco o funcionamento fiável da barragem e do Cresta Powerhouse de 70.000 kW através da obstrução das tomadas do reservatório, O proprietário tem levado a cabo uma série de estudos exaustivos investigando alternativas de gestão de sedimentos para o reservatório desde meados dos anos 80.

Para a demonstração da bomba EDDY, foram dragados cerca de 7.833 metros cúbicos de depósitos de sedimentos arenosos perto da barragem de Cresta e devolvidos ao fundo do reservatório a 600 metros a montante. A turbidez, os sólidos em suspensão, o oxigénio dissolvido, o fluxo, a densidade do chorume, e a taxa de produção foram monitorizados. Concluiu-se que o desempenho da dragagem superou as especificações de produção do fabricante e atendeu facilmente aos padrões restritivos de qualidade da água. Foram mantidas densidades de chorume superiores a 70% de sólidos por peso, enquanto que foram atingidos picos superiores a 90%. Foram observadas taxas de produção de mais de 230 metros cúbicos por hora. A turbidez máxima da pluma de descarga era de apenas 12 Unidades de Turbidez Nefelométrica (NTU) sobre o ambiente.

Antecedentes

Projeto 2017 – Projeto Sistema de Eclusa de Canal. A bomba de dragagem suspensa por cabo de 8 polegadas foi utilizada para remover areia para este projecto de expansão.

Desde 1984, o proprietário do Reservatório Cresta tem avaliado uma série de métodos para resolver problemas de sedimentos. e no reservatório similar de Rock Creek Reservoir localizado a montante. Foi considerada a dragagem por clamshell e sucção hidráulica com eliminação de sedimentos por camião, linha férrea ou conduta de chorume para aterros distantes. Todas estas opções envolvem potenciais impactos ambientais que podem afectar negativamente a ecologia aquática e terrestre de interesse para as agências reguladoras. O plano atual do proprietário prevê uma dragagem limitada nas barragens seguida de uma passagem controlada de sedimentos a jusante durante os fluxos de cheias. Para a dragagem de produção, o Conselho Regional de Controlo de Qualidade da Água (RWQCB) propôs o limite superior de turbidez a 25 NTU acima do nível de fundo e limitou os sólidos totais em suspensão (SST) a 80 mg/1 independentemente do nível de fundo. O proprietário, preocupado que os equipamentos convencionais de dragagem não pudessem atender a esses padrões restritivos, identificou a tecnologia de dragagem EDDY Pump como uma alternativa que poderia atender aos padrões ambientais e dragar economicamente grandes volumes de sedimentos. (Han-ison, 1995)

A novela EDDY Pump é uma máquina fisicamente simples que desmente o seu design e desempenho hidrodinâmicos avançados. A bomba é constituída por um rotor em voluta com um bocal de sucção e uma saída de descarga. As bombas para serviço de dragagem são construídas com aços de liga de alta resistência e resistentes à abrasão. As únicas partes móveis são o rotor e o seu eixo. A potência rotativa pode ser aplicada por motores eléctricos ou hidráulicos, ou por eixos mecânicos a diesel ou outros motores. As velocidades de funcionamento típicas situam-se entre as 1000 e as 2000 RPM. O rotor, localizado no interior da voluta oposta ao bocal de sucção, dá rotação à coluna de água na voluta e no tubo de sucção, criando um vórtice que atrai água e sólidos da mesma forma que um tornado levanta objectos. O vórtice de alta energia também serve para soltar sedimentos ou outros sólidos, permitindo que estes sejam arrastados no fluxo. Esta característica permite a formação de chorume com concentrações de sólidos muito elevadas sem necessidade de jactos de água ou cabeças de corte. O rotor está fora do fluxo para que o cascalho e até os calhaus possam passar rapidamente através da bomba e ser descarregados sem colidir com o rotor. A bomba também passa facilmente trapos, vegetação e detritos lenhosos que encravariam outros tipos de bombas. As bombas são fabricadas à medida pela EDDY Pump Corporation em tamanhos (diâmetro de descarga) de 0,1 0 metros a 0,36 metros para uma variedade de aplicações, para além da dragagem.

A nova tecnologia EDDY Pump prometida: 1) pouca ou nenhuma turbidez ou ressuspensão na aspiração da draga, 2) capacidade de dragar até à profundidade total dos reservatórios, 3) capacidade de manusear uma vasta gama de materiais, desde argila a paralelepípedos e detritos orgânicos, 4) capacidade de transportar sedimentos como chorume de alta densidade, e o mínimo de efluentes a serem tratados no local de descarga. Além disso, a alta densidade do chorume sugeria a viabilidade de depositar o chorume debaixo de água sem ressuspensão excessiva, com o potencial de poupar milhões de dólares ao proprietário do reservatório em comparação com a eliminação de aterros.

Para verificar a viabilidade da dragagem da bomba EDDY e deposição no reservatório, o proprietário celebrou um acordo com a “PB-MK Consultants and Engineers”, uma afiliada da EDDY Pump Corporation, para realizar o estudo do projeto. uma demonstração em escala real da tecnologia no reservatório Cresta. A demonstração exigiu a dragagem de aproximadamente 7.646 metros cúbicos perto da barragem e a sua recolocação no fundo do reservatório a 610 metros a montante. Os parâmetros ambientais de turbidez, sólidos em suspensão e oxigénio dissolvido deviam ser monitorizados, para além do desempenho da draga. O RWQCB impôs as mesmas limitações restritivas à qualidade da água para a demonstração que tinha proposto para a dragagem de produção.

Descrição da draga

Uma nova draga inovadora foi concebida e construída por PB-MK para a demonstração. A draga foi construída em módulos para transporte de camiões até ao local de trabalho como cargas não-permitórias. Isso foi importante para o acesso ao reservatório de Cresta, pois vários túneis rodoviários restringiam as folgas. O desenho modular permitiu que a draga fosse montada eficientemente sem necessidade de soldar de novo os componentes principais. Foi necessária uma grua para colocar os principais subconjuntos na água devido às margens íngremes e águas pouco profundas perto da costa na área de mobilização, o que impediu o deslizamento ou rolagem dos subconjuntos para dentro do reservatório. Caso contrário, o único grande equipamento necessário para a mobilização era um empilhador de garfos.

A plataforma principal da barcaça das dragas que suporta os módulos de potência e cabine de controle e a plataforma de bombeamento da qual a bomba da draga e o motor de acionamento foram suspensos. As duas plataformas foram ligadas por uma lança com uma ligação pivot na plataforma principal. Uma bomba EDDY com descarga de 0,254 metros de diâmetro accionada por um motor eléctrico submersível de velocidade variável de 224 kW foi o coração do sistema. A energia eléctrica principal era fornecida por um gerador diesel de 500 kW. O controlo da velocidade da bomba foi alcançado através da variação da frequência de potência utilizando um controlador de frequência em estado sólido. Na plataforma principal foi montada uma bomba de água de lavagem a diesel de 7,6 metros cúbicos/minuto, que funcionava em modo de espera para proteger contra as tomadas das condutas em caso de mau funcionamento. Uma mangueira flexível de descarga da bomba, com cerca de 60 metros de comprimento, foi colocada a partir da plataforma da bomba através da lança e por baixo da plataforma principal num sistema de roletes, permitindo que a bomba fosse levantada e baixada conforme necessário. O equipamento foi configurado para dragar até 30 metros de profundidade, acionamentos elétricos foram usados para a maioria dos equipamentos acionados para minimizar qualquer chance de derramamento de óleo.

Um caudalímetro do tipo indução e um densitómetro nuclear foram montados numa pequena barcaça de instrumento na extremidade da mangueira de descarga atrás da plataforma principal para monitorizar o fluxo e a densidade. Outra instrumentação incluiu uma câmera de vídeo subaquática para observar a área de sucção de dragagem, sonar de varredura lateral, turbidímetros de leitura contínua, medidores de demanda de energia e indicadores de posição. Um computador de bordo assistido com controle do sistema calculou a taxa de produção e gravou os dados de produção e qualidade da água

Uma tubulação de polietileno de alta densidade de 0,254 metros de diâmetro e 550 metros de comprimento com juntas termossoldadas foi estendida da barcaça de instrumentos até a plataforma de descarga. Os flutuadores foram amarrados à tubulação em intervalos de 4,5 metros. No final da tubulação, foi projetada uma plataforma flutuante para suspender uma cortina de sedimentos e suportar um difusor portado dentro da cortina. Para a distância de descarga de 610 metros, não foram necessárias bombas de reforço. Se necessário para tubulações mais longas, uma bomba EDDY também pode servir como uma bomba de reforço eficiente.

Infelizmente, o desenho da cortina de sedimentos de descarga não teve sucesso e a cortina foi removida durante a maior parte da demonstração após o arranque inicial. Mesmo assim, a qualidade da água – os parâmetros permaneceram bem dentro dos requisitos da agência. Os autores acreditam que um projeto de cortina aprimorado poderia ter alcançado níveis ainda mais baixos de turbidez e TSS e pode ser necessário para sedimentos de granulação mais fina do que os encontrados no Reservatório de Cresta.

Operação de Dragagem

Em funcionamento, a plataforma principal foi posicionada por linhas de guincho em cada comer amarrado a pontos de ancoragem em terra e à barragem. Em águas abertas, seriam utilizadas âncoras marinhas. Um controlo de joy stick para os guinchos da linha de ancoragem permitiu ao operador mover a plataforma principal em qualquer direcção.

Enquanto a plataforma principal era mantida fixa, a plataforma de bombeamento era balançada lentamente sobre a articulação pivot através de comandos de guincho através de um arco de até 2,1 radianos (120 graus).

A bomba foi elevada ou baixada até à profundidade de dragagem por quatro linhas de guincho, uma ligada a cada comer da estrutura de suporte da bomba. Variando o comprimento dos cabos de suspensão independentemente, a bomba e o bocal de sucção foram inclinados para otimizar a eficiência de sucção. A capacidade de controlo. a atitude e localização do bico nos três eixos permitiu que o material fosse dragado com precisão cirúrgica em comparação com outros métodos de dragagem. Além disso, a bomba foi montada em munhões -. na sua estrutura de suporte para que pudesse ser articulado para trás e para a frente por um carneiro pneumático ao mesmo tempo que era balançado através do arco para dragar uma faixa de 2,4 metros de largura. Após cada balanço, a draga era reposicionada para a passagem seguinte.

Um caudalímetro do tipo indução e um densitómetro nuclear foram montados numa pequena barcaça de instrumento na extremidade da mangueira de descarga atrás da plataforma principal para monitorizar o fluxo e a densidade. Outra instrumentação incluiu uma câmera de vídeo subaquática para observar a área de sucção da draga, sonar de varredura lateral, turbidímetros de leitura contínua, medidores de demanda de energia e indicadores de posição. Um computador de bordo assistido com controle do sistema calculou a taxa de produção e gravou os dados de produção e qualidade da água

Uma tubulação de polietileno de alta densidade de 0,254 metros de diâmetro e 550 metros de comprimento com juntas termossoldadas foi estendida da barcaça de instrumentos até a plataforma de descarga. Os flutuadores foram amarrados à tubulação em intervalos de 4,5 metros. No final da tubulação, foi projetada uma plataforma flutuante para suspender uma cortina de sedimentos e suportar um difusor portado dentro da cortina. Para a distância de descarga de 610 metros, não foram necessárias bombas de reforço. Se necessário para tubulações mais longas, uma bomba EDDY também pode servir como uma bomba de reforço eficiente.

Resultados da Demonstração

O desempenho físico da draga excedeu as expectativas. Foram mantidas densidades de chorume superiores a 70% de sólidos por peso, enquanto que foram atingidos picos superiores a 90%. Foram observadas taxas de produção sustentada de mais de 230 metros cúbicos por hora. Em um teste de 6,5 horas de duração, aproximadamente 1.681 metros cúbicos foram dragados. O material dragado era predominantemente areia média a fina com aD-50 de 0,5 mm. Quantidades de madeira afundada à deriva e detritos orgânicos foram observadas pela câmara de vídeo subaquática para serem bombeadas através do sistema sem entupimento. Em vários casos, foram observados grandes pedaços de madeira e pedaços de betão a serem sugados para dentro da bomba e descarregados através da conduta. Profundidades de 15 metros foram afiadas sem problemas. A dragagem mais profunda, para a capacidade de projeto de 30 metros, não foi tentada porque o volume de escavação resultante teria excedido o volume aprovado pela permissão do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA. A demonstração da dragagem foi interrompida quando o volume acumulado atingiu 7.833 metros cúbicos.

QUADRO 1- DADOS DE PRODUÇÃO DE DRAGAGEM SELECCIONADOS (PG&E, 1995)

A turbidez, TSS, e oxigénio dissolvido (DO) foram medidos na estação de controlo a montante, perto da aspiração da draga, na pluma a jusante da descarga, e na estação de conformidade estabelecida na entrada do túnel de energia. Em média, a turbidez em torno da entrada da bomba. excedeu os níveis de fundo em apenas 1,2 NTU. Em nenhum momento as concentrações de turbidez ou de sólidos em suspensão medidas na estação de conformidade da estrutura de admissão se aproximaram dos limites estabelecidos pelas agências. O aumento máximo da turbidez foi de 1,9 NTU e a medição máxima de sólidos em suspensão foi de 9,0 mg/1. A jusante da plataforma de descarga, a turbidez estava muito abaixo dos limites especificados para a estação de conformidade. O aumento máximo em relação ao ambiente foi de 12 NTU. As concentrações de oxigénio dissolvido não foram mensuravelmente afectadas pela dragagem. (Creek, PG&E, 1995)

Está agora em construção uma segunda geração de dragas que irá melhorar a draga protótipo utilizada para a demonstração do Cresta. A portabilidade e a capacidade de mobilização rápida são as características principais do novo design.

Conclusões

• A dragagem de sucção de polpa da bomba EDDY fornece um método de dragagem ambientalmente superior para atender aos rigorosos padrões de qualidade da água.
• Muito pouca turbidez ou ressuspensão de sedimentos na cabeça de sucção.
• A Bomba EDDY é capaz de altas taxas de produção. Comparável a dragas de sucção convencionais muito maiores.
• A draga EDDY Pump é capaz de passar grandes volumes de detritos lenhosos e outros materiais estranhos em sedimentos sem entupimento.
• A alta densidade do chorume minimiza o volume de efluente a ser tratado e eliminado da deposição de sedimentos na montanha.
• A capacidade da tecnologia de bombear chorume denso a longas distâncias proporciona uma alternativa de gasoduto para o transporte de sedimentos para locais de eliminação distantes.
• Após a solução dos problemas iniciais de arranque, a draga protótipo provou ser capaz de um funcionamento duradouro e fiável.
• A descarga de lodo sedimentar na coluna de água resultou em baixos níveis de turbidez e TSS, bem dentro dos limites das rigorosas normas de qualidade da água, sem a utilização de uma cortina de contenção de sedimentos.

REFERÊNCIAS

Creek, Korbin D. e Timothy H. Sagraves, (1995), “EDDY Pump Dredging: Does It Produce
Impactos na Qualidade da Água?”, Conferência ASCE Waterpower ’95, p. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H.Lee e ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa à Dragagem de Reservatório”, Conferência ASCE Waterpower ’95, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Serviços Técnicos e Ecológicos da Pacific Gas and Electric Co.) (1995) “Resultados do Monitoramento da Qualidade da Água Durante a Demonstração da Bomba EDDY em 1994 no Reservatório de Cresta”, Relatório Nº 402.331-95.23.REFERÊNCIAS

Creek, Korbin D. e Timothy H. Sagraves, (1995), “EDDY Pump Dredging: Does It Produce
Impactos na Qualidade da Água?”, Conferência ASCE Waterpower ’95, p. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H.Lee e ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa à Dragagem de Reservatório”, Conferência ASCE Waterpower ’95, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Serviços Técnicos e Ecológicos da Pacific Gas and Electric Co.) (1995) “Resultados do monitoramento da qualidade da água durante a demonstração da bomba EDDY em 1994 no reservatório de Cresta”, Relatório nº 402.331-95.23.